CC BY
18
УДК 614.841
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПОЖАРАХ В ТИПОВЫХ МНОГОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ
HEAT-MASS EXCHANGE PROCESSES DYNAMICS FORECASTING IN FIRES IN TYPICAL MULTISTOREY APARTMENT BUILDINGS
Е. А. Бедрина1, А. С. Рекин2, С. Ф. Храпский1, А. И. Бокарев1, Е. С. Денисова1,
1 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Главное управление МЧС России по Омской области, г. Омск, Россия
E. A. Bedrina1, A. S. Rekin2, S. F. Khrapsky1, A. I. Bokarev1, E. S. Denisova1,
1 Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2 General Directorate of EMERCOM of Russia for Omsk Region, Omsk, Russia
Аннотация. Прогнозирование динамики тепломассообменных процессов при пожарах в типовых многоэтажных жилых зданиях позволяет доказать необходимость и определить параметры организационно-технических решений, направленных на повышение вероятности безопасной эвакуации жильцов таких зданий, что является актуальной проблемой согласно статистическим данным о числе погибших граждан этой категории населения в результате пожаров. На основе результатов выполненных численных исследований установлены характерные закономерности изменения во времени критически опасных для человека факторов пожара, установлен наиболее опасный фактор с точки зрения возможности безопасной эвакуации людей из указанных зданий - уровень оптической концентрации дыма. Разработан метод прогнозирования времени, которым располагают жильцы для осуществления безопасной эвакуации. Предложено оборудовать 5-9-этажные жилые здания массовой застройки системами раннего обнаружения возгорания и оповещения людей о пожаре.
Ключевые слова: тепломассообмен, пожар, моделирование, безопасность, эвакуация.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-10-15
I. Введение
В соответствии с государственной политикой в области пожарной безопасности одной из основных задач органов управления и лиц, уполномоченных на решение задач в области пожарной безопасности, является обеспечение безопасной эвакуации людей при пожарах в жилых зданиях [1], [2], [3]. Безопасная эвакуация людей при пожаре в зданиях возможна, если время от момента начала возгорания до момента блокирования эвакуационных выходов вследствие достижения критических для жизни человека величин, так называемых опасных факторов пожара (ОФП), (повышенных значений температуры и концентрации токсичных продуктов горения, пониженных значений концентрации кислорода и дальности видимости из-за задымления) не превысит полное время эвакуации, которое складывается из времени начала эвакуации (времени от момента начала пожара до момента получения человеком информации о возгорании) и времени движения людей от мест их пребывания до выхода из здания или в иную безопасную зону.
Согласно статистическим данным [1], [2], [4] в Российской Федерации в жилых домах гибнет более 90% людей от общего количества погибших при пожарах. Подавляющая часть из этого числа гибнет в жилых зданиях высотой до 9 этажей. Именно такие типовые 5-ти и 9-этажные здания составляют основу массовой жилой застройки всех крупных российских городов.
Причинами этого являются, во-первых, повышенная пожарная опасность многоэтажных зданий по сравнению с малоэтажными из-за характерной относительно высокой скорости распространения ОФП по вертикальным пространствам зданий, что наряду с большой протяженностью эвакуационных путей и достаточно быстрому их блокированию вследствие прежде всего интенсивного задымления, существенно снижает вероятность успешной эвакуации жильцов.
Во-вторых, согласно действующим отечественным нормативным требованиям [5], [6] системой обнаружения пожара обязательно оборудуются только жилые здания высотой более 28 метров (это здания выше 9 этажей). Кроме того, для жилых зданий высотой менее 10 этажей не требуется предусматривать установку системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре. Следовательно, в случае пожара в какой-либо квартире, на лестничной клетке, в подвале 5-9-этажного дома возникает вопрос: каким образом жильцы дома, находясь в своих квартирах, могут самостоятельно узнать о наличии возгорания и предпринять действия по спасению. Ситуация усугубляется характерным для современных квартир обустройством уплотнения дверных проемов, ведущих на лестничную клетку, что существенно увеличивает время возможного определения жильцами признаков задымленности и загазованности в подъезде. Самостоятельное определение этих признаков,
как правило, происходит слишком поздно, когда единственный эвакуационный путь через лестничную клетку уже отрезан закритическими для жизни человека значениями ОФП, прежде всего закритическим значением задымленности (оптической концентрацией дыма). Отсутствие системы обнаружения пожара, кроме того, приводит к задержке оповещения о пожаре пожарных подразделений, их оперативного прибытия к месту пожара и осуществлению спасательных работ. В-третьих, характерное для современного быта насыщение квартир синтетическими строительными и отделочными материалами, мебелью и бытовой техникой с высокой степенью горючести, токсичности и дымообразующей способности способствует повышению потенциальной вероятности как самого возгорания в жилых зданиях, так и его последствий.
Таким образом, существует серьезная проблема в области обеспечения безопасной эвакуации людей при пожарах в типовых жилых 5-9-этажных зданиях, а также в многоэтажных зданиях не только в Российской Федерации, но и в других странах [7], [8], [9], [10], [11].
Проблема предопределила цель исследования. Она заключается в прогнозировании развития пожара и его опасных факторов в жилом многоэтажном здании.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Цель исследования обусловливает необходимость решения следующей задачи - выполнить численные эксперименты по определению динамики изменения пространственно-временных параметров пожара по мере его развития и выявить закономерности этого изменения применительно к многоэтажному жилому зданию. В результате такого исследования необходимо оценить время, которым располагают жильцы для возможности безопасной эвакуации из квартир по лестничным клеткам подъездов. Полученные данные должны являться теоретическим обоснованием принятия организационно-технических решений, выполнение которых позволит повысить уровень безопасности эвакуации людей при пожарах в жилых многоэтажных зданиях.
III. ТЕОРИЯ
Термогазодинамические и массообменные процессы развития пожара могут быть описаны следующей системой дифференциальных уравнений в частных производных, выражающих пространственно-временное распределение температуры, давления, плотности, скоростей и концентраций компонентов газовой смеси, включая критичные для жизнеспособности человека концентрации кислорода и токсичных продуктов горения.
Уравнение сохранения массы
°p + V-pu = 0, (1)
дт
где т - время; р - плотность газовой смеси; V - оператор набла (оператор Гамильтона); и - скорость газовой смеси.
Уравнение сохранения импульса
о
— (ри) + V • puu +VP = pg + V-ö- + f в , (2)
от
где P - давление газовой смеси; g - ускорение свободного падения; f в - внешняя сила; ö^ - тензор вязких напряжений. Эти напряжения определяются по зависимости
ö- = V
—-+—-
дх,- дх,-V - 1 у
- 2 Vß- (V- и), (3)
где ^ - динамическая вязкость; х - координата; Ру = 1 при /' =у; Ру = 0 при /' Ф у, /', у = 1, 2, 3. Уравнение сохранения энергии
д 0P
— (ph) + V • ph и = — + V дт дт
f 2 л av-h
vs у
-V-q , (4)
где к - статическая энтальпия газовой смеси; X - коэффициент теплопроводности газовой смеси; ср - теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении; q - поток энергии вследствие теплопереноса.
Уравнение состояния смеси идеальных газов
Р = РЯ0Г У ,
0 У М„ '
(5)
где Т - абсолютная температура газовой смеси; Я0 - универсальная газовая постоянная; Мк - молярная масса к-го химического компонента газовой смеси; Ук - массовая концентрация к-го химического компонента газовой смеси. Уравнение сохранения массы к-го химического компонента газовой смеси
дт
(р¥к) + У-р и Тк (У-Ук)),
(6)
где Бк - диффузивность к-го химического компонента газовой смеси.
Динамика параметров пожара определяется развитием площади горения с учетом сложного реального состава и массы горючих материалов (так называемой пожарной нагрузки), их расположения и полноты сгорания, места возникновения очага пожара.
Количество дыма, выделяющегося при сгорании пожарной нагрузки, определяется с учётом дымообразующей способности и скорости выгорания горючих материалов.
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Численное экспериментирование проводилось на основе программного комплекса FDS [12], [13], который по заключению известных авторитетных источников [14], [15] наиболее точно реализует представленную выше математическую модель пожара. Объектом исследования являются процессы распространения в типовом подъезде многоэтажного жилого дома опасных факторов пожара.
В результате численных экспериментов определены текущие значения параметров газодымовой среды по площади и высоте колодца подъезда в зависимости от времени, прошедшего с начала возгорания. Наибольшую опасность для эвакуирующихся людей представляет задымление, критическое значение которого наступает раньше критических значений других ОФП [10]. Степень задымления, а соответственно дальность видимости в дыму, характеризуется оптической плотностью (концентрацией) дыма. Так как люди при эвакуации естественным путем в рассматриваемых типах зданий должны преодолеть лестничную клетку этажа пожара, то именно степень задымленности этого этажа является ключевым параметром, определяющим возможность безопасной эвакуации. Газодымовая среда распространяется вверх по подъезду и блокирует в первую очередь вышележащие этажи, поэтому, чем ниже этаж возгорания, тем хуже условия эвакуации. Очевидно, что самые опасные условия для эвакуации людей представляет возгорание на первом этаже.
На рис. 1 для площадки первого этажа, которую должны преодолеть все эвакуирующиеся жильцы подъезда, представлены зависимости оптической плотности дыма от времени, прошедшего с начала возгорания. Характер этих зависимостей, а соответственно, критическое время эвакуации, которым располагают люди, определяются прежде всего физико-химическими параметрами горящих материалов (так называемой пожарной нагрузки), геометрическими параметрами помещений и рядом других факторов. Критическое значение оптической плотности дыма установлено нормативными документами и составляет ¡лкр = 0,12 Нпм-1.
, Нп/м
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
Мкр ■/ 2
/ / / г ^ /
/ / / / / / / /
/ / / / / /
/ / / / /
) / / / , / / х У *
/ __/
10
12
14
Т, МИН
Рис. 1. Зависимости оптической плотности дыма от времени, прошедшего с начала возгорания: 1, 2, 3, 4 - четыре варианта пожарной нагрузки и геометрии помещения
Использование для расчета располагаемого времени эвакуации людей трудоёмких компьютерных программ и достаточно производительной вычислительной техники является не всегда доступным и экономически более затратным. Полученные результаты исследования позволяют предложить упрощенный «ручной» метод прогнозирования времени критического задымления. Он опирается на следующие предположения. Если рассмотреть характер зависимости оптической плотности дыма от времени (рис. 1) в области, близкой к критическим значениям, то с достаточной для практических целей точностью эта зависимость может быть аппроксимирована логарифмической зависимостью (рис. 2) в виде
¡Л = К ■ 1пт .
(7)
где ц - оптическая плотность дыма, Нп м- ; т - время, отсчитываемое от момента возгорания, мин; К - коэффициент пожарной нагрузки и геометрии помещений, совпадающий по размерности с ц.
Показанные на рис. 1 зависимости, по сути, представляют расчеты параметров пожара для разных вариантов пожарной нагрузки и геометрии помещений. На рис. 2 показано сравнение зависимости ц от т (полученной расчетным путем) с аппроксимирующей логарифмической зависимостью, полученной при значении К=0,05, характерном для наиболее распространенного среднестатистического варианта пожарной нагрузки и геометрии помещений рассматриваемого типа зданий. Увеличение этого коэффициента свидетельствует о наличии повышенной пожарной нагрузки (при неизменной геометрии помещений данного здания), например дополнительных горючих материалов в квартирах, на лестничной площадке или в повальном помещении. Соответственно, существенно уменьшается критическое время безопасной эвакуации, которым располагают жильцы подъезда. Уменьшение этого коэффициента свидетельствует о пониженной пожарной нагрузке, например свободных от мебели и вещей квартирах. При этом критическое время безопасной эвакуации увеличивается.
Рис. 2. Зависимость ц от т при значении К=0,05 Формула (7) может быть приведена к виду
т = ехр
(и \
!Кр
v к у
(8)
С учетом того, что цкр = 0,12 Нп-м"1, критическое время безопасной эвакуации может быть рассчитано по простой формуле
Ткр = еХР
v к у
(9)
где К - коэффициент, соответствующий /-ому виду пожарной нагрузки и геометрии помещений.
Значения коэффициентов К должны быть предварительно рассчитаны для возможных наиболее распространенных вариантов пожарной нагрузки и геометрии помещений, но их не очень много и погрешности их значений при оценке критического времени безопасной эвакуации не столь существенны с учетом множества неопределенностей, вносимых в реальную динамику развития пожара рядом других имеющих место факторов.
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Применение современного программного обеспечения [10], [12], [13], [14], [15], моделирующего динамику тепломассообменных процессов при пожаре, позволяет рассчитать текущие значения параметров газодымовой среды по площади и высоте колодца подъезда жилого дома в зависимости от времени, прошедшего с начала возгорания. Таким образом, становится возможным определить момент времени, когда тот или иной ОФП достигает своего критического для жизни человека значения. Результаты выполненных численных исследований показали, что для типовых многоэтажных жилых домов наиболее опасным фактором является задымление, так как критическое значение оптической плотности дыма на путях эвакуации наступает раньше других факторов. Это приводит к существенному уменьшению дальности видимости и потере ориентации людей при движении к выходу из здания, т. е. блокирует пути эвакуации. При этом следует отметить, что дым оказывает на людей особое негативное воздействие. На частицах дыма, представляющих собой несгоревшие частицы углерода, конденсируются токсичные газы. Например, токсичность окиси углерода, имеющей наибольшую концентрацию среди всех газообразных продуктов горения, увеличивается при наличии дыма. То есть имеет место синергетический эффект от совместного проявления нескольких ОФП, что усиливает их негативное воздействие на организм человека.
Главным результатом расчетов являются числовые значения времени, которым располагает человек для того, чтобы безопасно эвакуироваться. Предложенный упрощенный метод прогнозирования времени критического задымления позволяет достаточно просто провести примерную оценку располагаемого времени безопасной эвакуации в типовых жилых многоэтажных домах массовой застройки.
VI. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Именно позднее обнаружение пожара является основной проблемой своевременной и безопасной эвакуации людей в типовых 5-9-этажных жилых домах массовой застройки. Единственным эффективным решением проблемы эвакуации жильцов таких домов является оборудование подъездов поэтажными (в идеале также и поквартирными) системами раннего обнаружения пожара и системами оповещения о пожаре (например, в простейшем случае подъездной сиреной) [2], [5], [6]. Допустимая инерционность срабатывания этих систем может быть определена с использованием представленного инструментария и аналогично представленным результатам.
При этом должны быть учтены, во-первых, величина задержки времени начала эвакуации жильцами после соответствующего сигнала о пожаре, в том числе в зависимости от возможного типа контингента и степени мобильности эвакуирующихся (дети, люди старшего поколения, инвалиды и т. п.), а во-вторых, время движения людей от мест их пребывания до выхода из здания или в иную безопасную зону. Последний параметр может быть не только получен расчетным путем, но и оценен на практике в результате проведения учебных эвакуаций.
Выполненные расчеты подтвердили распространенное утверждение, что распространение дыма внутри многоэтажных зданий должно являться первостепенной проблемой проектировщиков и специалистов по пожарной безопасности [2], [10].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копылов Н. П., Пивоваров В. В., Пронин Д. Г. Обеспечение безопасности людей в жилых зданиях повышенной этажности II Пожаровзрывобезопасность I Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26, № 9. С. 5-14.
2. Самошин Д. А. К вопросу о защите людей техническими средствами пожарной автоматики II Пожаровзрывобезопасность I Fire and Explosion Safety. 2015. Т. 24, no. 12. С. 53-59.
3. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования. Введ. 1992-0l-01. М. : Изд-во стандартов, 1992. 78 с.
4. Сведения о пожарах и их последствиях за январь-декабрь 2017 г. : официальный сайт МЧС России. URL: http://www.mchs.gov.ru/activities/stats/Pozhari/201l_god (дата обращения: 21.09.2018).
5. СП 5.13130.2009 Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования : утв. приказом МЧС России от 25.03.2009 года № 175. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. URL: http:IIdocs.cntd.ruIdocumentI1200071148.
6. СП 3.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре. Нормы и правила проектирования: утв. приказом МЧС России от 25.03.2009 года № 173. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. URL: http://docs.cntd.ru/document/12000l1145.
l. Qi D., Wang L., Zhao G. Froude-Stanton modeling of heat and mass transfer in large vertical spaces of high-rise buildings II International Journal of Heat and Mass Transfer. 201l. Vol. 115. P. l06-l16.
S. Nimlyat P. S., Audu A. U., Ola-Adisa E. O., Gwatau D. An evaluation of fire safety measures in high-rise buildings in Nigeria II Sustainable Cities and Society. 201l. Vol. 35. P. ll4-lS5.
9. Li S., Tao G., Zhang L. Fire Risk Assessment of High-rise Buildings Based on Gray-FAHP Mathematical Model // Procedia Engineering. 201S. Vol. 211. P. 395-402.
10. Ahn C. S., Bang B. H., Kim M. W., James S. C., Yarin A. L., Yoon S. S. Theoretical, numerical, and experimental investigation of smoke dynamics in high-rise buildings II International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 135. P. 604-613.
11. Tan S., Moinuddin K. Systematic review of human and organizational risks for probabilistic risk analysis in high-rise buildings // Reliability Engineering & System Safety. 2019. Vol. 188. P. 233-250.
12. McGrattan K., Forney G. Fire Dynamics Simulator. User's Guid. Nati. Inst. Stand. Technol. Spec. Publ. 1019. 2005. P.90. URL: http://nvlpubs.nist.gov/ nistpubs/Legacy/SP/nistspecialpublication 1019.pdf.
13. Fire Dynamics Simulator (FDS) and Smokeview (SMV). URL : www.fire.nist.gov/fds.
14. Недрышкин О. В., Гравит М. В. Программные комплексы моделирования опасных факторов пожара // Пожарная безопасность. 2018. № 2. С. 38-46.
15. Самошин Д. А. Современные программные комплексы для моделирования процесса эвакуации // Пожарная безопасность в строительстве. 2011. № 1. С. 62-65.
УДК 658.26:66.013.6/.001.57
ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ВЫБОРА НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ЭНЕРГО-ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ
НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
INFORMATION AND ANALYTICAL PLATFORM FOR EVALUATING THE EFFECTIVENESS AND CHOOSING DIRECTIONS FOR IMPROVING THE ENERGY AND WATER SUPPLY SYSTEMS
OF OIL AND GAS CHEMICAL COMPLEXES
И. В. Долотовский, Б. А. Семенов
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., г. Саратов, Россия
I. V. Dolotovskii, B. A. Semenov
Gagarin Saratov State Technical University, Saratov, Russia
Аннотация. В статье представлена структура и содержание специализированной информационно-аналитической платформы для решения задач расчета энерготехнологических и конструктивных параметров, научно-исследовательских и конструкторских разработок оборудования, единичных установок и синтезируемых из них автономных систем энерго-, водообеспечения нефтегазохимических комплексов. Предложена трехмерная иерархическая модель с ортогональными связями между элементами, включающая объект исследования, проблему повышения его энергетической эффективности и методы решения. Приведены расчетные алгоритмы и результаты численного моделирования систем энергообеспечения в условиях динамики развития нефтегазохимических комплексов. Даны схемные решения разработанных оптимальных ресур-соэффективных систем энергообеспечения технологических производств. Обоснованы направления совершенствования систем энерго- водообеспечения на основе принципов полигенерации и интеграции с технологическими установками на примере предприятий переработки углеводородного сырья.
Ключевые слова: системы энерго- водообеспечения, нефтегазохимический комплекс, динамика развития, структурно-параметрическая оптимизация, энергоэффективность, имитационное моделирование, многокритериальный анализ, информационно-аналитическая платформа
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-15-22
I. Введение
Системы обеспечения топливом, электрической и тепловой энергией и технологической водой действующих нефтегазохимических комплексов (НГХК) формировались в условиях начала разработки соответствующих месторождений углеводородного сырья (УВС) без учета динамики их развития и взаимосвязей с внешними системами энергообеспечения (ВСЭ). В настоящее время концепция построения перспективных систем энерго-водообеспечения (СЭВО) НГХК базируется на принципах генерации энергоносителей (ЭН) в автономных установках с тепловыми двигателями различного типа [1-5] и использовании потенциала горючих низконапорных газов технологических производств и возобновляемых источников энергии [6-9]. Для решения задач анализа и синтеза СЭВО, высокоэффективных на всех этапах жизненного цикла НГХК, требуется создание специализированного информационно-аналитического обеспечения, позволяющего учесть следующие требования к технологическим и энергетическим элементам в динамике их развития:
• максимальное использование собственного потенциала вторичных ресурсов для выработки ЭН и воды;
• создание замкнутых технологических циклов с минимизацией потребления от ВСЭ, исключением промышленных отходов и потерь ресурсов;
• создание ресурсоэффективных энерготехнологических модулей (ЭТМ) на основе полигенерации (выработки ЭН, воды и технологической продукции) с утилизацией низконапорных углеводородных газов, огневым обезвреживанием промышленных отходов и стоков;
